一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验系统及实验方法

本发明属于超声激励煤层注水，具体涉及一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验系统及实验方法。

背景技术：

1、煤炭资源在我国仍然是不可或缺的重要能源，目前我国的现代化建设仍然离不开对煤炭资源的依赖。随着对煤炭资源的大力开采，在开采煤炭过程中所暴露出来的各种问题也接踵而至。在开采煤炭的过程中，所产生的煤尘漂浮在空气中，当空气中的煤尘浓度达到一定的限度时，遇到高温热源就会发生煤尘爆炸，对矿井以及井下作业人员造成严重伤害，且高浓度的煤尘也会使得长期在井下工作的煤炭工人患尘肺病。因此，如何去减少开采过程中所产生的煤尘已经成为了我国矿山开采中急需解决的问题。

2、向煤层中注水这一门技术在我国已经得到了普遍应用，同时对减少矿井煤尘也表现出了极其显著的作用。但目前的煤层注水技术仍然存在注水效率低，对煤体渗透效果差的问题，因此，如何增强煤体的注水效率与煤体的渗透效果的研究是煤体注水技术发展的重中之重。

3、超声波技术对煤体致裂方面产生效果，但目前缺少利用超声波激励煤体可以使得煤体的原生裂隙扩展或者产生新的连通裂隙的成熟实验系统，虽然目前知道超声波技术对煤体致裂方面产生一定效果，但具体的增强煤体的注水效率与煤体的渗透效果的效果有多大，是否满足成本预算并没有特定的实验研究，而且也没有针对超声波的功率和频率设定参数也没有对应的参照实验，无法得出最佳超声波的功率和频率。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验系统及实验方法，解决目前缺少利用超声波激励煤体可以使得煤体的原生裂隙扩展或者产生新的连通裂隙的成熟实验系统、也没有针对超声波的功率和频率设定参数也没有对应的参照实验的问题。

2、为此，本发明所采用的技术方案为：一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验系统，包括密封罐体、煤样夹持筒、超声波换能器、轴向环向加压机构、真空抽取机构和计算机采集控制机构，所述密封罐体上部设有横梁，所述煤样夹持筒居中安装在横梁上，一个所述超声波换能器位于煤样夹持筒内顶部起主要激励作用，所述煤样夹持筒内底部设有接收上方超声波换能器信号的超声波接收器，所述轴向环向加压机构包括加压端从上方轴向伸入煤样夹持筒的轴压加载组件和加压端径向伸入煤样夹持筒的环压加载组件，从而对煤样夹持筒内进行轴向和环向加压，所述轴压加载组件和环压加载组件均包括伸入煤样夹持筒的加压管和压力加载泵，所述加压管的端部均设有压力传感器，所述真空抽取机构用于使煤样夹持筒内形成真空状态，所述真空抽取机构包括真空泵、缓冲器和伸入煤样夹持筒的抽气管，所述计算机采集控制机构包括对轴向环向加压机构的流量数据进行采集的计算机和控制超声波换能器进行超声激励的超声波控制器。

3、作为上述方案的优选，所述抽气管设有真空阀，所述抽气管靠近煤样夹持筒的一端与径向伸入煤样夹持筒的加压管合并，抽真空时，关闭环压加载组件的压力加载泵，抽完以后关闭真空阀，然后开启压力加载泵加压，从而实现端头一管两用，节约空间。

4、进一步优选为，三个所述超声波换能器沿密封罐体内壁环向布设且发射端对准煤样夹持筒轴心起辅助激励作用，保障超声波全方位激励，结构合理。

5、进一步优选为，所述煤样夹持筒采用上下可拆卸拼装的瓶状结构，煤样夹持筒顶部与横梁螺纹连接安装，且左右配备有与横梁连接的可拆卸辅助固定杆，所述煤样夹持筒包括上下可拆卸拼装的瓶状壳体、位于瓶状壳体内上下间隔设置的挡板和居中安装在挡板之间的竖向煤样，所述环压加载组件的加压管伸入煤样夹持筒位于挡板之间的区域，从而能对煤样进行环向加压。

6、进一步优选为，所述横梁采用平底倒“u”型槽状结构，所述煤样夹持筒顶部外径与横梁槽口尺寸匹配，安装结构稳固。

7、进一步优选为，所述密封罐体底部环向设有三根支撑腿，所述横梁顶部左右间隔设有提手，方便提取横梁，设计合理。

8、进一步优选为，所述轴向环向加压机构、真空抽取机构、超声波接收器和超声波控制器均与计算机数据连接，实现数据传输分析。

9、本发明还采用的技术方案为：一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验方法，包括以下步骤：

10、步骤s1、采用上述的一种超声激励煤层注水增效物理模拟实验系统，先将烘干好的煤样安装在煤样夹持筒里，然后启动真空抽取机构对煤样进行抽真空处理，排出煤样内部原生裂隙内的空气，抽真空结束后，关闭真空抽取机构；

11、步骤s2、启动轴向环向加压机构，对煤样进行三轴加载和渗流实验，同时计算机对轴向环向加压机构的轴向、环向流量数据进行采集，并将渗入煤体内的流量数据作为对照组数据，取出煤样；

12、步骤s3、根据超声波的不同功率和频率设置多组实验，每组实验组均重复步骤s1-s2，同时超声波控制器控制超声波换能器发出对应功率和频率参数的超声波进行超声激励工序，计算机记录超声激励下渗入煤体内的流量数据作为实验组数据；

13、步骤s4、将对照组数据与实验组数据进行对比，观察在有无超声激励条件下的渗入煤体内的流量数据的差值，判断超声波激励对煤体渗流效果的影响，通过计算机对超声波接收器进行数据分析。

14、作为上述方案的优选，所述步骤s4中，计算机将超声波接收器接收到的穿透煤体的超声波信号的幅值强度对比发射时的超声波幅值强度，计算机收集超声激励过程中每个时刻接收到的超声波振幅强度的变化数据，从而获取煤体内部裂隙的实时发育数据；通过压力加载泵上流量表记录波动注水渗流数据并与裂隙发育数据进行耦合，从而直观体现超声波激励煤体强化注水渗流的效果，数据精确直观。

15、进一步优选为，所述步骤s3中，功率100w、频率27k赫兹的超声波为第一实验组，功率100w、频率35k赫兹的超声波为第二实验组，功率100w、频率40k赫兹的超声波为第三实验组；功率200w、频率27k赫兹的超声波为第四实验组，功率200w、频率35k赫兹的超声波为第五实验组，功率200w、频率40k赫兹的超声波为第六实验组，每组实验组按照步骤s3得到超声激励下渗入煤体内的流量数据，从而能计算出最优功率、频率的超声波激励效果。

16、本发明的有益效果：

17、(1)相比于目前缺少利用超声波激励煤体可以使得煤体的原生裂隙扩展或者产生新的连通裂隙的成熟实验系统，也没有针对超声波的功率和频率设定参数也没有对应的参照实验，本方案采用密封罐体、煤样夹持筒、超声波换能器、轴向环向加压机构、真空抽取机构和计算机采集控制机构，组建形成专门针对超声波激励煤体可以使得煤体的原生裂隙扩展或者产生新的连通裂隙的成熟实验系统，设计思路新颖，实用价值高。

18、(2)借助于超声波换能器和轴向环向加压机构，可以实现在实验室对超声波激励煤体对其裂隙扩展和产生效果以及超声波波动注水促进煤体注水渗流效果的研究，并模拟了煤矿井下煤层的压力属性，利用轴向环向加压机构精确控制所需的环压和轴压，并对其实时进行监测；能通过观测压力加载泵的流量数据变化和超声波接收器对超声激励过程中所接收到的超声波信号幅值强度变化，由此可以探究不同功率和频率的超声在不同的激励时间和不同的压力条件下对煤体裂隙发展和波动注水渗流的促进效果，推进了煤炭领域在此方面的研究，为井下超声激励手段的利用提供了参考，计算机精准控制并收集数据，从而确保了实验的准确性，并且可长时间连续进行试验，节省了人力。

19、综上所述，具有设计思路新颖、实用价值高、实验的准确性高、可连续多次实验、节省人力物力等优点。